滄東凹陷致密油氣藏水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)

滄東凹陷致密油氣藏水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)

滄東凹陷位于黃岐市凹陷南部?？椎耆旱膬蓚€(gè)階段形成一個(gè)相對(duì)封閉的湖泊環(huán)境，發(fā)育著密集的油氣藏。隨著石油工程技術(shù)的不斷進(jìn)步及對(duì)地質(zhì)情況認(rèn)識(shí)的深入，滄東凹陷孔二段細(xì)粒沉積巖的勘探開(kāi)發(fā)取得了突破，致密油氣已成為大港油田重要的接替資源。為了提高滄東凹陷致密油氣的開(kāi)發(fā)效益，需要采用長(zhǎng)水平段水平井開(kāi)發(fā)。但是，該區(qū)域無(wú)長(zhǎng)水平段水平井鉆探先例，可借鑒經(jīng)驗(yàn)少，需要進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)研究。為此，筆者從井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、井眼軌道設(shè)計(jì)、井眼軌跡控制方式優(yōu)選擇、鉆井設(shè)備及工具優(yōu)選、鉆井液體系優(yōu)選與性能優(yōu)化、提速提效技術(shù)措施選擇和套管安全下入方式優(yōu)選等方面進(jìn)行了研究，形成了致密油氣藏水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)，并在2口井進(jìn)行了成功試驗(yàn)，為實(shí)現(xiàn)滄東凹陷致密油氣藏的高效開(kāi)發(fā)提供了技術(shù)支持。1井眼軌跡控制技術(shù)與鉆井滄東凹陷致密油氣藏埋深3500.00～4000.00m，水平井造斜點(diǎn)井深超過(guò)3000.00m、裸眼段長(zhǎng)大于2500.00m、水平段長(zhǎng)大于1500.00m，且鉆遇巨厚石膏層和多個(gè)漏層，給安全高效鉆井帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)。分析認(rèn)為，主要鉆井技術(shù)難點(diǎn)為1）水平段和裸眼段長(zhǎng)，摩阻高、扭矩大、循環(huán)壓耗高，對(duì)鉆井設(shè)備和鉆具的性能要求高，設(shè)備和鉆具的優(yōu)選難度大。2）要求靶框范圍上下≤2.0m、左右≤5.0m，且著陸后的控制點(diǎn)多，需要頻繁調(diào)整井眼軌跡，對(duì)井眼軌跡控制技術(shù)的要求很高。鉆井過(guò)程中攜巖困難，尤其在井斜角45.0°～65.0°井段極易形成巖屑床，增大了井眼軌跡控制難度和卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)。3）孔一段地層頂部有厚約110.00m的石膏層，石膏純度高，易造成鉆井液污染，對(duì)鉆井液抗污染性能要求高；館陶組底部礫巖段、沙一段底部生物灰?guī)r段和孔一段斷層存在不整合面，鉆井過(guò)程中發(fā)生井漏的風(fēng)險(xiǎn)高，對(duì)鉆井液封堵性能要求高；水平段和裸眼段長(zhǎng)，摩阻大，施加鉆壓困難，卡鉆風(fēng)險(xiǎn)高，對(duì)鉆井液潤(rùn)滑防卡性能要求高4）儲(chǔ)層以泥巖和頁(yè)巖為主，硬脆性強(qiáng)，部分地層含有少量淺灰色細(xì)砂巖。泥巖以紫紅色和灰色泥巖為主，硬度高、研磨性強(qiáng)，鉆頭磨損嚴(yán)重，機(jī)械鉆速低。頁(yè)巖微裂縫和層理發(fā)育，容易發(fā)生頁(yè)巖表面水化及滲透性水化，引起井眼失穩(wěn)。2鉆井關(guān)鍵技術(shù)針對(duì)上述鉆井技術(shù)難點(diǎn)，從井身結(jié)構(gòu)、井眼軌道、井眼軌跡、鉆井設(shè)備、鉆進(jìn)工具、鉆井液，以及鉆井提速提效技術(shù)、套管安全下入技術(shù)等方面進(jìn)行了研究，形成了致密油氣藏水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)。2.1井身結(jié)構(gòu)及井壁塌風(fēng)險(xiǎn)分析水平井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，除了考慮地層壓力和必封點(diǎn)等因素外，還應(yīng)考慮鉆井設(shè)備負(fù)荷和井下風(fēng)險(xiǎn)。在保證實(shí)現(xiàn)地質(zhì)目標(biāo)的前提下，盡可能縮短裸眼段長(zhǎng)度、降低摩阻扭矩、縮短裸眼浸泡時(shí)間和減輕鉆機(jī)負(fù)荷，并降低井壁垮塌風(fēng)險(xiǎn)根據(jù)滄東凹陷致密油氣藏的地層巖性、三壓力剖面、注水情況、漏層分布和施工難度，水平井設(shè)計(jì)采用三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)：1）一開(kāi)采用?339.7mm表層套管封固明化鎮(zhèn)組以上松軟地層，并安裝井口裝置，為下部安全鉆井提供條件；2）為了兼顧地層壓力、注水情況、裸眼段長(zhǎng)度和施工難度的需求，二開(kāi)采用?244.5mm技術(shù)套管封固孔一段棗Ⅲ油組注水層位；3）三開(kāi)采用?139.7mm油層套管封隔油、氣、水層。2.2眼軌道設(shè)計(jì)與眼跡控制技術(shù)水平井井眼軌道設(shè)計(jì)需要綜合考慮鄰井防碰、井眼軌跡控制方式和難度等因素，進(jìn)行分段優(yōu)化，保證井眼軌跡平滑，并精確中靶2.2.1造斜率控制措施1）造斜點(diǎn)優(yōu)選。東營(yíng)組和沙河街組地層有大段硬塑性泥巖，容易發(fā)生井眼失穩(wěn)；?311.1mm井段深部泥巖層定向鉆進(jìn)托壓嚴(yán)重，定向效率低。因此，選擇在孔一段造斜，造斜點(diǎn)井深3000.00～3200.00m。2）造斜率優(yōu)化。為了保證井眼軌跡平滑，盡量縮短造斜段長(zhǎng)度，降低施工難度，減輕設(shè)備負(fù)荷、降低鉆井風(fēng)險(xiǎn)。因此，將第一增斜段造斜率控制在（2.4°～3.0°）/30m，井斜角控制在30°～35°；第二增斜段造斜率控制在（3.0°～3.5°）/30m，井斜角控制在82°～86°進(jìn)入第一控制點(diǎn)；微降斜段降斜率控制在（2.1°～2.4°）/30m，井斜角控制在80.0°～82.0°進(jìn)入第二控制點(diǎn)；第三增斜段造斜率控制在（2.1°～2.4°）/30m，快速進(jìn)入末端控制點(diǎn)，開(kāi)始鉆進(jìn)水平段。2.2.2旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)方案考慮施工難度和井下風(fēng)險(xiǎn)，確定了2種井眼軌跡控制技術(shù)方案：若造斜點(diǎn)在?311.1mm井段，第一增斜段和穩(wěn)斜段采用“?215.9mm×1.25°螺桿鉆具+?172.0mmMWD”控制井眼軌跡，后續(xù)井段采用“?172.0mm旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具+?172.0mmLWD”控制井眼軌跡；若造斜點(diǎn)在?215.9mm井段，則全程采用?172.0mm旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具控制井眼軌跡。由于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井成本高，為了降低成本，建議現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)水平段的長(zhǎng)度選擇經(jīng)濟(jì)高效的井眼軌跡控制技術(shù)：水平段不大于1000.00m的水平井，采用“水力振蕩器+MWD+螺桿鉆具+近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向工具”控制井眼軌跡；水平段長(zhǎng)度大于1000.00m的水平井，采用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具控制井眼軌跡。2.3荷載和循環(huán)壓耗模擬計(jì)算結(jié)果選擇鉆井設(shè)備和鉆具時(shí)，需要綜合考慮大鉤載荷、扭矩、循環(huán)壓耗、井眼清潔和井下故障處理能力等因素。利用軟件模擬分析了不同井眼軌道、鉆具組合、鉆井液性能、鉆井參數(shù)和摩阻系數(shù)等條件下大鉤載荷、扭矩、循環(huán)壓耗和井眼清潔效果等關(guān)鍵參數(shù)的變化規(guī)律，優(yōu)選出最佳的鉆井設(shè)備和鉆具。1）頂部驅(qū)動(dòng)裝置優(yōu)選。大鉤載荷和扭矩模擬計(jì)算結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，最大扭矩為27.7kN·m。為了提高井下故障處理能力，選用DQ70BSD型頂部驅(qū)動(dòng)裝置，最高轉(zhuǎn)速200.0r/min，最大連續(xù)輸出扭矩60.0kN·m。2）鉆井泵優(yōu)選。循環(huán)壓耗模擬計(jì)算結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，最高循環(huán)壓耗為37.4MPa。為了提高鉆井泵的安全性，選用1臺(tái)F–2200HL高壓鉆井泵和2臺(tái)F–1600加強(qiáng)型鉆井泵，其額定工作壓力分別為52.0和40.0MPa。3）鉆具優(yōu)選。從圖1可以看出，起鉆、復(fù)合鉆進(jìn)和下鉆的最大大鉤載荷分別為1677.6,1268.0和999.5kN。兼顧大鉤載荷、扭矩和循環(huán)壓耗，根據(jù)滿足強(qiáng)度前提下盡可能降低鉆機(jī)負(fù)載的原則，選用?139.7mm鉆桿（鋼級(jí)S137）×2000.00m+?127.0mm鉆桿（鋼級(jí)G105）。其中，?127.0mm鉆桿采用非標(biāo)準(zhǔn)NC52扣型和?107.7mm水眼，以進(jìn)一步降低循環(huán)壓耗，減輕鉆井泵負(fù)載。2.4鉆井防塌劑提升品質(zhì)綜合考慮石膏層抗污染、斜井段攜巖、水平段抑制防塌和潤(rùn)滑防卡等因素1）提高抗石膏污染能力。鉆井液中定時(shí)補(bǔ)充六偏磷酸鈉膠液，并隨鉆加入KOH進(jìn)行處理。但是OH—含量過(guò)高會(huì)分散剝離泥頁(yè)巖，影響防塌效果，要求pH值維持在8.0～10.0。2）提高鉆井液的抑制性。為了保證鉆井液的抑制防塌效果，鉆井期間要求K+含量不低于500.0mg/L，并及時(shí)補(bǔ)充抗鹽強(qiáng)包被抑制劑BYJ–Ⅰ和抑制防塌劑BZ–YFT，改善濾餅質(zhì)量，控制API濾失量不大于3.0mL、高溫高壓濾失量不大于10.0mL。3）提高攜巖能力。用大分子處理劑和攜砂粉等控制鉆井液動(dòng)切力，孔一段和孔二段的鉆井液動(dòng)切力分別控制在8.0～12.0和12.0～16.0Pa；保證鉆井液動(dòng)塑比不小于0.5、六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)3r/min的讀數(shù)不小于4.0。4）提高潤(rùn)滑防卡性能。用原油作為潤(rùn)滑劑，鉆井液含油量控制在5.0%～8.0%，保證摩阻系數(shù)不大于0.06；同時(shí)，進(jìn)入水平段后全程開(kāi)啟離心機(jī)，清除鉆井液中的有害固相，降低摩阻。2.5鉆井參數(shù)優(yōu)化1）提高定向效率。?311.1mm造斜段和穩(wěn)斜段采用?203.2mm水力振蕩器，減輕滑動(dòng)鉆進(jìn)托壓，提高定向效率。該工具基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3，主要通過(guò)自身產(chǎn)生的軸向振動(dòng)，將滑動(dòng)鉆進(jìn)過(guò)程中鉆柱與井壁之間的靜摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)摩擦，降低鉆柱與井壁之間的摩擦阻力，提高滑動(dòng)鉆進(jìn)鉆壓的傳遞效率2）優(yōu)化鉆井參數(shù)。為了提高?215.9mm井段孔一段和孔二段地層的機(jī)械鉆速和井眼清潔能力，采用大排量、大鉆壓和高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)。大排量主要用來(lái)提高井眼清潔能力，高轉(zhuǎn)速主要用來(lái)提高機(jī)械鉆速和井眼清潔能力，大鉆壓主要用來(lái)提高機(jī)械鉆速3)PDC鉆頭設(shè)計(jì)。根據(jù)孔二段砂泥巖研磨性高的特點(diǎn)，對(duì)PDC鉆頭進(jìn)行了個(gè)性化設(shè)計(jì)4）提高攜巖能力。每鉆進(jìn)1個(gè)單根劃眼1次，鉆進(jìn)1個(gè)立柱正劃眼、倒劃眼各1次，充分循環(huán)攜巖。隨著井眼延伸和井斜角增大，僅依靠提高排量無(wú)法保證井眼清潔。此時(shí)，需要在鉆具中加入井眼清潔工具，利用其機(jī)械刮削和水力旋流的作用清除巖屑床2.6通井安全設(shè)計(jì)為了保證套管安全順利下入，利用軟件分析了?139.7mm套管的下入能力，優(yōu)化了扶正器的安放位置和數(shù)量。同時(shí)，為了提高預(yù)測(cè)精度，在下套管前最后一次通井時(shí)，記錄起下鉆懸重，測(cè)算起下鉆摩阻系數(shù)，作為模擬套管下入的摩阻系數(shù)。1）井眼準(zhǔn)備。下套管前分別帶單穩(wěn)定器、雙穩(wěn)定器和三穩(wěn)定器進(jìn)行3次通井。通井時(shí)，若下鉆阻力超過(guò)40.0kN，立即接頂驅(qū)劃眼，劃眼到底后對(duì)劃眼井段進(jìn)行短起下鉆驗(yàn)證，確保順暢后再進(jìn)行下一步工序；起鉆遇阻的井段再次進(jìn)行劃眼，并短起下鉆驗(yàn)證。2）套管扶正器下入方案。為了保證套管居中度和套管能安全下入，選用?206.4mm整體式半剛性扶正器。利用軟件模擬優(yōu)化確定了套管扶正器的下入方案：水平段每隔2根套管加1只扶正器，造斜段每隔1根套管加1只扶正器，直井段每隔5根套管加1只扶正器。3）套管下入方式優(yōu)選?？紤]裸眼段和水平段較長(zhǎng)，以及套管扶正器數(shù)量多、套管下入難度系數(shù)大等情況，利用軟件對(duì)常規(guī)下套管方式進(jìn)行了模擬分析。模擬結(jié)果表明，下入套管時(shí)，套管下放大鉤載荷952.3kN，套管靜止大鉤載荷1100.5kN，套管下放大鉤載荷大于靜止大鉤載荷的30%。結(jié)合模擬預(yù)測(cè)結(jié)果和通井情況，確定采用常規(guī)下套管方式。3地層適應(yīng)性好大港油田滄東凹陷頁(yè)巖油水平井GD1701H井和GD1702H井試驗(yàn)應(yīng)用了滄東凹陷致密油氣藏水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)，鉆井過(guò)程中未發(fā)生井下故障，整體效果良好，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。2口井平均井深5370.00m，平均水平段長(zhǎng)1379.60m，平均機(jī)械鉆速11.4m/h，平均鉆井周期59.2d。其中，GD1701H井創(chuàng)造了大港油田5000.00m以深水平井鉆井周期最短、機(jī)械鉆速最高、鉆機(jī)月速最高和水平段最長(zhǎng)等4項(xiàng)紀(jì)錄。GD1701H井采用三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)，施工過(guò)程中未出現(xiàn)漏失、溢流和井眼失穩(wěn)等問(wèn)題，且鉆井效率高。該井鉆進(jìn)過(guò)程中井眼軌跡控制良好，鉆井液潤(rùn)滑性能高，采用常規(guī)下套管方式未出現(xiàn)遇阻現(xiàn)象。其中，二開(kāi)采用“水力振蕩器+MWD+螺桿鉆具”控制井眼軌跡，定向機(jī)械鉆速達(dá)到3.3m/h，且無(wú)托壓現(xiàn)象；三開(kāi)采用“旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具+LWD”控制井眼軌跡，平均機(jī)械鉆速達(dá)到9.2m/h。GD1701H井最大懸重1900.0kN，最大扭矩26.0kN·m，循環(huán)壓耗最高達(dá)29.0MPa，選用的鉆機(jī)、鉆井泵和鉆具滿足了安全高效鉆進(jìn)要求。應(yīng)用設(shè)計(jì)的PDC鉆頭鉆進(jìn)孔一段和孔二段紫紅色泥巖、灰色砂巖、灰色泥巖和油頁(yè)巖，單只鉆頭完成造斜段和水平段，進(jìn)尺1177.00m，平均機(jī)械鉆速9.7m/h，提速效果顯著，說(shuō)明設(shè)計(jì)的個(gè)性化PDC鉆頭地層適應(yīng)性強(qiáng)。該井館陶組鉆遇8.0m厚的雜色礫巖，沙一段鉆遇8.0m厚的生物灰?guī)r，孔一段鉆遇斷層及不整合面，鉆進(jìn)過(guò)程中及時(shí)補(bǔ)充隨鉆堵漏劑BZ–DSA，未出現(xiàn)漏失現(xiàn)象?？滓欢毋@遇厚約149.0m的石膏層，進(jìn)入石膏層之前配制六偏磷酸鈉膠液，維持鉆井液pH值始終在9.0以上，待振動(dòng)篩處發(fā)現(xiàn)石膏侵時(shí)加入膠液，未出現(xiàn)鉆井液受鈣污染的問(wèn)題。定時(shí)測(cè)量鉆井液含油量、API濾失量、高溫高壓濾失量和動(dòng)切力等關(guān)鍵參數(shù)，控制含油量在5%以上、API濾失量不超過(guò)3.0mL、高溫高壓濾失量不超過(guò)10.0mL、動(dòng)切力在15.0Pa左右，保證了鉆井液抑制防塌、潤(rùn)滑防卡和攜巖性能滿足要求。4鉆井關(guān)鍵技術(shù)1）滄東凹陷致密油氣藏埋藏深，水平井具有造斜點(diǎn)深和水平段長(zhǎng)的特點(diǎn)，摩阻、扭矩和循環(huán)壓耗高，對(duì)鉆井設(shè)備要求高；從上到下鉆遇多個(gè)漏層和巨厚石膏層，對(duì)鉆井液性能要求高；孔一段和孔二段地層有大段硬度高、研磨性強(qiáng)的泥巖，機(jī)械鉆速低，對(duì)鉆頭匹配性要求高。2）滄東凹陷致密油氣藏水平井鉆井關(guān)鍵技術(shù)可以解決長(zhǎng)水平段水平井鉆井過(guò)程中存在的技術(shù)難題，尤其是井身結(jié)構(gòu)及井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)、高